玲瓏金礦尾礦庫抑塵劑實驗研究及應(yīng)用

王壽東WANG Shou-dong

（山東黃金礦業(yè)（玲瓏）有限公司，煙臺 265400）

0 引言

隨著礦山開采的不斷深入，金屬礦尾礦庫粉塵污染情況日趨嚴重，粉塵污染不僅影響礦區(qū)周邊環(huán)境空氣質(zhì)量、降低人員作業(yè)效率，并且會危害人體健康[1-3]。

人類認識噴霧除塵技術(shù)是從雨滴洗滌大氣中的塵埃開始的，以后逐漸推廣應(yīng)用到控制污染物和粉塵。20 世紀20 年代，英國、美國等開始采用噴霧降塵技術(shù)，并與50 年代后逐步出現(xiàn)離心式霧化、旋流式霧化、撞擊式霧化等方式，但是降塵效率較低，平均僅為30%。20 世紀40 年代中期，Penney 研制出了世界上第一臺荷電水霧除塵器。隨后，美國、日本、法國、英國、加拿大及前蘇聯(lián)等國家對此項技術(shù)均做過廣泛而深入的研究[4]。但是對噴霧除塵技術(shù)的應(yīng)用研究始于1976 年美國學(xué)者布朗和斯考溫格德提出的微細水霧捕塵理論。該理論認為在微細水霧中，不僅存在著各種動力學(xué)現(xiàn)象，而且還有蒸發(fā)、凝結(jié)以及水蒸氣濃度差異造成的擴散現(xiàn)象等，這都對微細粉塵的捕集起重要作用。美國、俄羅斯、以色列等國家都對微細水霧捕塵技術(shù)進行了多方面研究，并取得了一定的成果，但當時的研究工作還不夠細致，沒有上升到理論層次，僅限于實驗和數(shù)值模擬。

目前國內(nèi)外針對金屬礦尾礦庫抑塵研究已開展大量工作，但受工藝復(fù)雜、適用條件單一、腐蝕污染等問題限制，未得到可廣泛用于尾礦庫抑塵的技術(shù)措施[5-7]，目前針對尾礦庫的抑塵研究工作迫在眉睫。

1 工程背景

玲瓏尾礦庫堆積壩標高355m，總壩高150m，尾砂以泥漿和細尾砂方式堆存，庫內(nèi)有沉積干灘，灘面由干燥尾砂形成。上下兩級庫區(qū)灘面面積約為25 萬平方米，上級庫區(qū)氣候較為惡劣，風(fēng)吹日曬導(dǎo)致水分揮發(fā)很快，往年尾礦庫在可放礦的生產(chǎn)條件下，灘面防揚塵措施一般采用多點均勻放礦的方式保持灘面潤濕，保證灘面不揚塵。

而隨著環(huán)保壓力的不斷增大，尾礦庫揚塵治理迫在眉睫。玲瓏金礦先后在灘面上采用敷設(shè)防塵網(wǎng)、噴霧降塵等措施進行尾礦庫揚塵治理，雖耗費巨大精力及成本，取得部分成效，但仍未達到環(huán)保要求。

玲瓏金礦通過多次試驗研究，確定液體抑塵劑對防塵能夠起到良好的效果，且投入較少，符合當前企業(yè)的生產(chǎn)實際及環(huán)保要求，于2020 年3 月于玲瓏尾礦庫進行應(yīng)用，截至目前，達到預(yù)期應(yīng)用高效果。

2 液體降塵機理

液體降塵機理大致同單一液滴的捕集機理類似，水幕降塵是濕式除塵技術(shù)的一種，長期以來，經(jīng)過對液滴噴射霧化與塵粒的運動規(guī)律的研究，總結(jié)出主要的除塵機理。概括性的降塵機理包括兩個方面：①塵粒與水直接接觸被捕獲；②塵粒在水的作用下凝集性增加。這兩種作用使得粉塵從含塵氣流中分離出來。水幕系統(tǒng)具體的降塵機理見圖1，圖中流線是歐拉法用來描述流動的一種方法，認為流體是某一相同時刻在流場中畫出的一條空間曲線，給出了該時間不同流體質(zhì)點的速度方向，是速度場的幾何表示。

針對圖1 所示的四種捕塵機理，具體的解釋說明如下。

圖1 霧滴捕集塵粒的典型機理示意圖

①慣性碰撞。

塵粒在無外部因素的干擾下是有跡可循的，當突遇障礙物時會在其周圍出現(xiàn)氣體流線。但是當較大的塵粒在遇到液滴時，因其質(zhì)量較大、顆粒較粗，相應(yīng)具有較大的慣性作用力，從而無法沿著流線的軌跡運動，仍保持其原來的運動方向運動，靠慣性作用與水滴發(fā)生碰撞并粘附于水滴表面，凝聚成大顆粒，最終被液滴捕獲，進而獲得更大的重量實現(xiàn)加速沉降，1μm 以上的塵粒主要是靠慣性碰撞捕獲。影響慣性碰撞的因素有：氣體速度在液滴周圍的分布、塵粒的運動軌跡、塵粒對液滴的附著。

②重力沉降。

當塵粒具有一定的大小和密度時，塵粒會在重力作用下沉降到液滴上，這時固態(tài)塵粒與液滴的惰性凝結(jié)過程使得塵粒被濕潤，自重增加而沉降。在重力作用下粉塵能夠?qū)崿F(xiàn)沉降取決于塵粒的大小、密度和流速，塵粒只有在顆粒比較大、密度大且流速小時，重力沉降的捕集效率才明顯。重力沉降在捕集細小粉塵時發(fā)揮的作用并不大。

③布朗擴散。

懸浮在液體或氣體中的微粒一直在作無規(guī)則、無秩序的運動。當微細塵粒受到氣流的夾帶作用圍繞液滴運動時，因為一直存在的布朗擴散，塵粒的運動軌跡與氣流流線不一致而沉積在液滴上。塵粒越小，尤其是粒徑小于0.5μm 的粉塵，布朗擴散越強烈。

④攔截捕塵。

當風(fēng)流攜帶塵粒沿氣體流線隨著氣流直接向液滴運動的過程中，流線不能突然發(fā)生折轉(zhuǎn)，塵粒會在離液滴距離不遠處開始繞流水霧運動。風(fēng)流中質(zhì)量較大、顆粒較粗的塵粒因慣性的作用會脫離流線而保持向液滴運動。在不考慮塵粒的質(zhì)量情況下，塵粒會和風(fēng)流同步，因塵粒是立體具有體積，粉塵粒質(zhì)心所在流線與液滴的距離小于塵粒半徑時，即氣流流線離液滴表面的距離在dp/2 粒徑范圍以內(nèi)時，塵粒便會與水滴接觸被攔截下來，使塵粒附著在液滴上。對截留捕塵起作用的是塵粒大小，而不是塵粒的慣性，并且與氣流速度無關(guān)。

除了上述和流線有關(guān)的降塵機理以外，水幕降塵系統(tǒng)采用的高壓噴嘴使得噴出的水霧由于水霧電荷效應(yīng)部分霧粒帶電，再結(jié)合塵粒的荷電性質(zhì)，礦井中的粉塵在產(chǎn)生和運動的過程中，由于摩擦、碰撞、接觸帶電等一系列原因，粉塵與霧粒均帶有電荷，當雙方所帶電荷相反時，會相互吸引產(chǎn)生凝結(jié)現(xiàn)象，從而達到加速沉降的目的。這種降塵機理稱之為靜電凝結(jié)或非惰性凝結(jié)，捕塵的效率與所帶電荷量、以及霧粒與粉塵粒度及兩者之間的距離有關(guān)。

3 實驗研究

3.1 液體抑制劑實驗

試驗現(xiàn)場，液體抑塵劑采用1:100 和1:70 的配比，劃區(qū)域分別試驗。詳見表1。

表1 液體抑塵劑配比數(shù)據(jù)

稀釋液配制：按照1:100 的配比選取原液0.2kg，先在臉盆里放入3kg 左右清水，然后倒入0.2kg 原液，攪拌均勻后倒入容量20kg 的噴霧器中，再注入清水攪拌勻，形成1:100的稀釋液，共計試驗面積約80m2；1:70 的稀釋液共計試驗面積約50m2。噴灑比例均按照1.5-2kg/m2執(zhí)行。

檢驗效果：第二天分別對配比1∶100 和1∶70 液體抑制劑進行檢驗，兩者試驗區(qū)域表面均結(jié)殼約2-5mm，配比1∶100 和1∶70 沒有明顯的區(qū)別，都可起到抑制揚塵的作用。建議按照1∶100 的配比，噴灑面積2kg/m2對尾礦庫進行噴灑抑塵。試驗效果圖2、圖3 所示。

圖2 液體抑塵劑噴灑后效果

圖3 液體抑塵劑噴灑后效果

3.2 固體1612 粉塵抑制劑

試驗現(xiàn)場，固體抑塵劑采用1∶100 和1∶130 的配比，劃區(qū)域分別試驗。但在攪拌稀釋過程中結(jié)塊現(xiàn)象嚴重，操作較為復(fù)雜，因此放棄固體抑塵劑試驗。

4 抑塵劑應(yīng)用分析

4.1 應(yīng)用過程

應(yīng)用灑水車、蛇皮軟管等設(shè)備，技術(shù)要點如下：

①灑水車高壓水槍與蛇皮軟管應(yīng)能夠連接嚴密，無滴漏；

②利用灑水車高壓水槍飽和噴灑于尾礦庫干灘表層；

③按照2kg/m2在尾礦庫噴灑液體抑塵劑稀釋液后，表層結(jié)膜厚度約為5mm 左右。如需結(jié)膜厚度增加，可調(diào)整稀釋液配比和噴灑量；

④產(chǎn)品原液粘稠、易滑，兌水作業(yè)時要注意安全。

尾礦庫抑塵劑施工及噴灑后效果如圖4、圖5 所示。

圖4 尾礦庫抑塵劑施工現(xiàn)場

圖5 尾礦庫抑塵劑噴灑后

4.2 液體抑塵劑的噴灑效果分析

通過在尾礦庫噴灑液體抑塵劑稀釋液后，降塵率達80%以上，與清水噴霧相比，降塵率平均提高20%以上。

①液體抑塵劑與固體抑塵劑效果分析：液體抑塵劑配制方法簡單，溶解速度快，容易操作；固體抑塵劑配制方法較復(fù)雜，攪拌時易結(jié)塊影響噴灑及防塵效果。

②液體抑塵劑與防塵網(wǎng)效果對比分析：液體抑塵劑會在松動的砂層表面形成軟膜，有效抑制大風(fēng)天氣尾礦庫揚砂；防塵網(wǎng)濾網(wǎng)的孔徑較大，大風(fēng)天氣時細顆粒尾砂容易從濾網(wǎng)飛出，甚至把防塵網(wǎng)吹卷，經(jīng)不起風(fēng)吹日曬。

③有效期方面分析：液體抑塵劑透水性能好、抗紫外線能力較強，形成軟膜后，有效期2-6 個月；固體抑塵劑透水性能一般，抗紫外線能力一般，形成軟膜后，有效期為1-3 個月之間；防塵網(wǎng)透水性能好，抗紫外線能力一般，夏季鋪設(shè)后，有效壽命一般在3 個月左右，需不斷更新防塵網(wǎng)方能達到防塵效果，勞動量極大。

④美觀化方面分析：噴灑液體抑塵劑時，可同時考慮加入色素，來分辨噴灑區(qū)域，一方面能夠提醒和防止人為破壞，同時也能起到較好的視覺美觀作用。

4.3 成本分析

根據(jù)前期玲瓏尾礦庫對各種方法的實踐，以此為依據(jù)進行成本分析。

4.3.1 防塵網(wǎng)敷設(shè)

①材料成本：玲瓏尾礦庫共敷設(shè)防塵網(wǎng)9 萬平方米，共計使用防塵網(wǎng)22t，單價為11.87 元/公斤，共計花費261140 元，使用壽命為3 個月，材料成本為261140/90000/3=0.97 元/平方米/月。

②人工成本：敷設(shè)防塵網(wǎng)9 萬平方米，共計300 人次，平均300 平方米/人次.天，按照人工單位成本300 元/天計算，人工成本為300*300/90000/3=0.33 元/平米/月。

綜上所述，防塵網(wǎng)敷設(shè)單位成本為0.97+0.33=1.3 元/平米/月。

4.3.2 液體抑塵劑

①材料成本：玲瓏尾礦庫共計噴灑抑塵劑9 萬平方米，共計花費120000 元，使用壽命按照3 個月計算，材料成本為120000/90000/3=0.45 元/平方米/月。

②人工成本：液體抑塵劑噴灑9 萬平方米，共計使用人工30 人次，平均3000 平方米/人次.天，按照人工單位成本300 元/天計算，人工成本為300*30/90000/3=0.03 元/平方米/月。

經(jīng)濟效益：按照玲瓏尾礦庫上下兩級庫區(qū)干灘25 萬平方米計算，敷設(shè)防塵網(wǎng)成本為250000*1.3=325000 元/月，液體抑塵劑成本為2500000*0.48=120000 元/月，使用抑塵劑較防塵網(wǎng)年節(jié)省成本費用（325000-120000）*12=2460000 元。

5 總結(jié)

尾礦庫粉塵污染已經(jīng)發(fā)展成為必須解決的環(huán)保問題，該液體抑塵劑經(jīng)過實踐檢驗，除塵效果良好，且成本低廉，一般礦山企業(yè)都可接受，因此，該抑塵劑可推廣應(yīng)用到類似金屬礦山的尾礦庫粉塵治理工作中。